DE102021123091A1

DE102021123091A1 - Leiterplattenanordnung zur überwachung einer antriebsbatterie eines batteriebetriebenen fahrzeugs

Info

Publication number: DE102021123091A1
Application number: DE102021123091.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Brinkmann; Michael Gaube; Michael Steckel; Wolfgang Söder
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2021-09-07
Filing date: 2021-09-07
Publication date: 2023-03-09
Also published as: CN115775926A

Abstract

Die Offenbarung betrifft eine Leiterplattenanordnung zur Überwachung einer Antriebsbatterie eines batteriebetriebenen Fahrzeugs, mit einer Mehrzahl von Zellüberwachungs-Leiterplatten, wobei jede Zellüberwachungs-Leiterplatte einer entsprechenden Batteriezellgruppe der Antriebsbatterie zugeordnet ist, wobei jede Zellüberwachungs-Leiterplatte einen Leitungssatz mit einer Mehrzahl an Spannungsmessleitungen aufweist, um einen Spannungsabfall über den jeweiligen Batteriezelle der Antriebsbatterie zu bestimmen; und eine Hauptplatine mit einer Mehrzahl von Aufnahmeplätzen zur Aufnahme der Mehrzahl von Zellüberwachungs-Leiterplatten, wobei die jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatten mechanisch in den entsprechenden Aufnahmeplätzen der Hauptplatine fixiert sind, wobei die Hauptplatine einen Leitungssatz mit einer Mehrzahl an Datenleitungen aufweist, der ausgebildet ist, die Spannungsabfälle an den jeweiligen Batteriezellen an ein Batterie-Management-System zur Überwachung eines Ladezustands der Antriebsbatterie zu übertragen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Batteriesysteme und batteriebetriebenen Fahrzeuge, insbesondere der elektrisch angetriebenen Fahrzeuge. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Leiterplattenanordnung und ein Verfahren zur Überwachung einer Antriebsbatterie eines batteriebetriebenen Fahrzeugs.
Stand der Technik
Heutige Batteriesysteme zum Überwachen der Batterie eines elektrischen Fahrzeugs verfügen über eine Vielzahl von elektrischen Leiterkarten bzw. Einzelbaugruppen, die mit jeweiligen Steckverbindern untereinander verbunden sind, um die einzelnen Batteriezellen des Batteriesystems zu überwachen. So ist jeder Batteriezellgruppe, d.h. Gruppe von Batteriezellen, ein CSC („Cell Supervising Circuit“ bzw. Zellenüberwachungsschaltkreis zugeordnet, der auf einer eigenen Leiterplatte bzw. PCB („Printed Circuit Board“) realisiert ist. Bei leistungsstarken Batterien von heutigen Elektrofahrzeugen besteht die Batterie aus einer Vielzahl von Batteriezellgruppen, denen eigene CSC zugeordnet sind. Das Verschalten dieser einzelnen CSC mit dem Batteriemanagementsystem (BMS) über jeweils eigene Leitungssätze bzw. Kabelbäume kann damit schnell unübersichtlich werden und bei der manuellen Zusammenschaltung der einzelnen Module zu Verschaltungsfehlern führen. Die Montage der Einzelkomponenten ist zudem schlecht automatisierbar und muss, insbesondere bei leistungsstarken Batteriesystemen für den Antrieb elektrischer Fahrzeuge meist manuell durchgeführt werden, was einen hohen Aufwand bedeutet und Kosten verursacht, also ungünstig zu produzieren ist.
Beschreibung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein vorteilhaftes Konzept zur vereinfachten und sicheren Montage des Batteriesystems der Antriebsbatterie eines batteriebetriebenen Fahrzeugs zu schaffen, insbesondere ein Konzept zur vereinfachten Montage der einzelnen CSC-Module des Batteriesystems, das sich vorteilhaft auf leistungsstarke Antriebsbatterien mit einer Vielzahl von Batteriezellen anwenden lässt.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
Eine Idee der Erfindung basiert darauf, die Kontaktierung zwischen den Batteriezellen und der Zellüberwachungseinheit (CSC) zu automatisieren und damit gleichzeitig den Kabelbaum sowie die manuellen Montageprozesse zu eliminieren. Die erfolgt durch die Verbindung der Zellen und die gleichzeitige Integration von mehreren Zellüberwachungseinheiten mittels einer Leiterplatte, im Folgenden auch als Backplane bezeichnet.
Damit kann auf die umständliche, aufwendige und fehlerträchtige Verbindung der Zellen zur Überwachungseinheit (CSC) mittels Kabelbaum verzichtet werden. Die Kommunikation zwischen den Überwachungseinheiten mittels Kabelsatz ist dann nicht mehr nötig, denn die Kommunikation erfolgt dann über die Backplane.
Die hier beschriebene Lösung ist kompatibel zum Einsatz in vorhandenen Batteriesystemen. Sie bietet den Vorteil der prozesssicheren Montage unter geringem Personaleinsatz durch einen hohen Automatisierungsgrad. Es ergeben sich deutliche Kostenvorteile.
Die erfinderische Lösung basiert auf der Integration der Vielzahl von Zellenüberwachungsschaltkreisen zu einer Backplane. Bisher getrennte CSC-Baugruppen werden zu einer zentralen Backplane mit integrierten Zellenüberwachungsschaltkreisen zusammengefasst. Damit erfolgt eine Reduktion auf nur noch eine zentrale Backplane mit integrierten Zellenüberwachungsschaltkreisen bzw. CSCs. Das bisherige Verkabeln der CSCs zur Anbindung an das Batteriemanagementsystem kann somit entfallen. Diese Lösung ist deutlich kostengünstiger herstellbar und ist zuverlässiger, da potentielle Fehlerquellen vermieden werden können.
Die erfinderische Lösung bietet ferner den Vorteil, dass beim Einsatz einer Backplane zum einen die einmal entwickelten und qualifizierten CSC in anderen Projekten ebenfalls zum Einsatz gelangen können, so dass beim Einsatz von Gleichteilen sich damit die Kosten bzw. der Aufwand und die Zeit für die Teileherstellung, -entwicklung und -qualifizierung reduzieren lässt. Zum anderen können Platinen mit elektronischen Komponenten und Bauteilen schlichtweg aufgrund der Größe der Backplane nicht auf die übliche Weise, d.h. mittels Anlöten der Komponenten im Reflow-Ofen, hergestellt werden. Die Leiterplatte selbst kann jedoch in der hierzu erforderlichen Größe hergestellt werden.
In der vorliegenden Offenbarung werden Batteriezellen und Batteriezellgruppen bzw. Zellgruppen und Module beschrieben.
Eine Batteriezelle bzw. Zelle ist eine elektrische oder galvanische Zelle und somit ein elektrochemischer Energiespeicher und Energiewandler. Bei der Entladung wird gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Diese kann von einem elektrischen Verbraucher genutzt werden.
HV-Batterien bestehen aus einer Vielzahl von Zellen. Diese Zellen sind zu Gruppen zusammengefasst, welche in dieser Offenbarung als Batteriezellgruppen oder einfach als Zellgruppen bezeichnet werden. Diese Zellgruppen werden von den CSC (Zellenüberwachungsschaltkreisen) überwacht und gebalanced, d.h. im Gleichgewicht gehalten. Die Gesamtzahl der Gruppen ergibt die Spannung der Batterie. Beispielsweise ergeben 96 Zellgruppen x 3,65V = 350,4 V, was einer 400V-Batterie entspricht. Diese Spannung multipliziert mit der Anzahl der Zellen in einer Gruppe (z.B. 40) multipliziert mit der Kapazität einer Einzelzelle (z.B. 5Ah) ergibt die Gesamtkapazität einer Batterie.
In einem Modul bzw. Batteriemodul können sich mehrere Zellgruppen befinden. Üblicherweise wird als Modul ein Gehäuse für mehrere Zellen bezeichnet. Jedoch müssen diese Zellen nicht zwangsläufig zu einer Gruppe gehören. D.h. in einem Modul können mehrere Gruppen von Zellen angeordnet sein.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die oben beschriebene Aufgabe gelöst durch eine Leiterplattenanordnung zur Überwachung einer Antriebsbatterie eines batteriebetriebenen Fahrzeugs, wobei die Antriebsbatterie eine Mehrzahl von Batteriezellen umfasst, die zu einer Mehrzahl von Batteriezellgruppen zusammengefasst sind, wobei die Batteriezellgruppen zu einem oder mehreren Batteriemodulblöcken zusammengefasst sind, wobei jede Batteriezelle zwei Batteriepole aufweist, wobei die Leiterplattenanordnung folgendes umfasst: eine Mehrzahl von Zellüberwachungs-Leiterplatten, wobei jede Zellüberwachungs-Leiterplatte einer entsprechenden Batteriezellgruppe der Mehrzahl von Batteriezellgruppen zugeordnet ist, wobei jede Zellüberwachungs-Leiterplatte einen Leitungssatz mit einer Mehrzahl an Spannungsmessleitungen aufweist, die mit jeweiligen Batteriepolen der Batteriezellen der entsprechenden Batteriezellgruppe verbindbar sind, um Spannungen der jeweiligen Batteriepole zu erfassen; und einen Prozessor, der ausgebildet ist, basierend auf den erfassten Spannungen der Batteriepole einen Spannungsabfall über der jeweiligen Batteriezelle zu bestimmen und Ladungsunterschiede der einzelnen Batteriezellen auszugleichen; und eine Hauptplatine mit einer Mehrzahl von Aufnahmeplätzen zur Aufnahme der Mehrzahl von Zellüberwachungs-Leiterplatten, wobei die jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatten mechanisch in den entsprechenden Aufnahmeplätzen der Hauptplatine fixiert sind, wobei jeder Aufnahmeplatz mit einem elektrischen Steckverbinder versehen ist, der ausgebildet ist, den Prozessor der entsprechenden Zellüberwachungs-Leiterplatte elektrisch mit der Hauptplatine zu verbinden, wobei die Hauptplatine einen Leitungssatz mit einer Mehrzahl an Datenleitungen aufweist, der ausgebildet ist, die von den Prozessoren der Zellüberwachungs-Leiterplatten bestimmten Spannungsabfälle an den jeweiligen Batteriezellen an ein Batterie-Management-System zur Überwachung eines Ladezustands der Antriebsbatterie zu übertragen, und Befehle von dem Batterie-Management-System zum Ausbalancieren der Ladezustände der jeweiligen Batteriezellen an die entsprechenden Prozessoren der Zellüberwachungs-Leiterplatten zu übermitteln.
Eine solche Leiterplattenanordnung, im Folgenden auch als „Backplane“ bezeichnet, bietet den technischen Vorteil der Integration mehrerer Einzelbaugruppen zu einer Backplane. So wird die Hauptplatine zusammen mit der Mehrzahl an Zellüberwachungs-Leiterplatten mittels einer gemeinsamen Backplane, d.h. der Leiterplattenanordnung, realisiert. Die bisher getrennten CSC-Baugruppen, d.h. die jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatten, werden zu einer zentralen Backplane zusammengefasst. Damit erfolgt eine Reduktion auf nur noch eine zentrale Backplane, nämlich der besagten Leiterplattenanordnung, auf der die Zellüberwachungsaufgaben der Mehrzahl von Zellüberwachungs-Leiterplatten integriert sind.
Das umständliche Verkabeln der vorhandenen Zellüberwachungs-Baugruppen kann somit entfallen, es wird keine zusätzliche Verkabelung mehr dafür benötigt. Eine solche Leiterplattenanordnung ist gegenüber dem Zusammensetzen verschiedener Einzelbaugruppen deutlich kostengünstiger herstellbar und ist zuverlässiger, da potentielle Fehlerquellen bei der Montage aufgrund der bereits zusammengefügten Komponenten vermieden werden können.
Als weiterer Vorteil bietet sich, dass beim Einsatz einer Backplane zum Einen die einmal entwickelten und qualifizierten CSC in anderen Projekten ebenfalls zum Einsatz gelangen können, so dass Gleichteile eingespart werden können und sich damit die Kosten bzw. der Aufwand und die Zeit für die Teileherstellung, -entwicklung und -qualifizierung reduzieren lassen. Zum anderen können Platinen mit elektronischen Komponenten und Bauteilen schlichtweg aufgrund der der Größe der Backplane nicht auf die übliche Weise, d.h. mittels Anlöten der Komponenten im Reflow-Ofen, hergestellt werden. Die Leiterplattenanordnung selbst kann jedoch in der hierzu erforderlichen Größe hergestellt werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Leiterplattenanordnung sind die jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatten in die entsprechenden Aufnahmeplätze der Hauptplatine über Presskontaktierungen eingepresst oder mittels Lötverbindungen gelötet.
Dies bietet den technischen Vorteil einer festen mechanischen Verbindung, so dass die Leiterplattenanordnung bzw. Backplane als ein einziges Modul in Erscheinung tritt, bei dem die Verkabelung der einzelnen Zellüberwachungs-Leiterplatten zu den jeweiligen Batteriezellgruppen und zum Batteriemanagement-System bereits vorkonfiguriert ist, so dass die Leiterplattenanordnung lediglich mit dem entsprechenden Batteriemodulblock der Antriebsbatterie verbunden werden muss. Dies kann beispielsweise während der Fertigung durch ein Aufstecken auf den entsprechenden Batteriemodulblock erfolgen und automatisiert erfolgen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Leiterplattenanordnung ist die Leiterplattenanordnung zur Überwachung eines Batteriemodulblocks der einen oder mehreren Batteriemodulblöcke ausgebildet.
Dies bietet den technischen Vorteil, dass mit einer einzigen Leiterplattenanordnung eine Vielzahl von Batteriezellgruppen überwacht werden können, d.h. mit der Leiterplattenanordnung können leistungsstarke Antriebsbatterien überwacht werden. Bei noch mehr Batteriezellen kann eine zweite Leiterplattenanordnung genutzt werden, um die Zellen eines zweiten Batteriemodulblocks zu überwachen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Leiterplattenanordnung weisen die Batteriemodulblöcke jeweils eine Modulseite auf, entlang der die Batteriezellgruppen des entsprechenden Batteriemodulblocks angeordnet sind, wobei eine Größe der Hauptplatine einer Größe der Modulseite eines jeweiligen Batteriemodulblocks entspricht.
Dies bietet den technischen Vorteil, dass die Hauptplatine einfach auf die Modulseite des entsprechenden Batteriemodulblocks aufgesteckt oder in anderer Weise angebracht werden kann, so dass sich die Montage vereinfacht.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Leiterplattenanordnung umfasst die Hauptplatine eine Platinen-Oberseite, auf der die jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatten fixiert sind, wobei die Platinen-Oberseite gegenüberliegend der Modulseite eines entsprechenden Batteriemodulblocks ausgerichtet ist.
Dies bietet den technischen Vorteil, dass die Hauptplatine einfach auf die Modulseite des entsprechenden Batteriemodulblocks aufgesteckt werden kann, so dass die jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatten gegenüber den durch sie zu überwachenden Batteriezellgruppen angeordnet sind. Dies führt zu einem einfachen und effizienten Aufbau.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Leiterplattenanordnung entspricht eine Größe und Form der Platinen-Oberseite der Hauptplatine einer Größe und Form der Modulseite des entsprechenden Batteriemodulblocks.
Dies bietet den technischen Vorteil, dass die jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatten gegenüber den ihnen zugeordneten Batteriezellgruppen angeordnet sind. Dies führt zu einer einfachen und effizienten Konstruktion.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Leiterplattenanordnung sind die Aufnahmeplätze der Hauptplatine zur Aufnahme der Mehrzahl von Zellüberwachungs-Leiterplatten auf der Platinen-Oberseite der Hauptplatine gegenüberliegend zu den zugeordneten Batteriezellgruppen auf der Modulseite des entsprechenden Batteriemodulblocks ausgerichtet.
Dies bietet den technischen Vorteil, dass die Zellüberwachungs-Leiterplatten einfach mit den ihnen zugeordneten Batteriezellgruppen elektrisch und mechanisch verbunden werden können. Eine solche Verbindung kann bereits während der Fertigung des Batteriesystems automatisch ausgeführt werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Leiterplattenanordnung ist der Leitungssatz mit der Mehrzahl an Datenleitungen als Leiterbahnensatz auf der Hauptplatine aufgedruckt.
Dies bietet den technischen Vorteil, dass die Hauptplatine als ein gedruckter Schaltkreis (PCB) ausgeführt sein kann, der effizient zu fertigen ist.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Leiterplattenanordnung ist der Leitungssatz mit der Mehrzahl an Datenleitungen auf der Hauptplatine ausgebildet, Datenverkehr zwischen den Prozessoren der Zellüberwachungs-Leiterplatten und dem Batteriemanagementsystem über die Hauptplatine zu routen.
Dies bietet den technischen Vorteil, dass keine Verkabelung für das Routen oder Weiterleiten des Datenverkehrs mehr nötig ist. Die Hauptplatine kann so entworfen werden, dass es zu keinen EMV-Beeinträchtigungen kommt. Damit kann unnötige elektromagnetische Störabstrahlung vermieden werden und die Beeinträchtigung der elektrischen Komponenten des Fahrzeugs durch elektromagnetische Störstrahlung minimiert werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Leiterplattenanordnung umfasst die Hauptplatine einen Steckverbinder zur kabelgebundenen elektrischen Verbindung der Hauptplatine mit dem Batterie-Management-System.
Dies bietet den technischen Vorteil, dass die Leiterplattenanordnung zusammen mit der Batterie und das Batterie-Management-System an anderer Stelle im Fahrzeug untergebracht werden kann. Beide Systeme lassen sich damit unabhängig voneinander entwerfen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Leiterplattenanordnung weist jede Zellüberwachungs-Leiterplatte einen Leitungssatz mit einer Mehrzahl an Temperaturmessleitungen auf, die mit jeweiligen Temperatursensoren der Batteriezellen der entsprechenden Batteriezellgruppe verbindbar sind, um Temperatursensorwerte der jeweiligen Batteriezellen zu erfassen, wobei der Prozessor der jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatte ausgebildet ist, basierend auf den erfassten Temperatursensorwerten eine Temperatur der jeweiligen Batteriezelle zu bestimmen und über den Leitungssatz der Hauptplatine an das Batterie-Management-System zu übertragen.
Dies bietet den technischen Vorteil, dass die Leiterplattenanordnung neben einer Ladestands-Überwachung auch eine Temperaturüberwachung der Batteriezellen ausführen kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die oben beschriebene Aufgabe gelöst durch ein Batteriesystem eines batteriebetriebenen Fahrzeugs, wobei das Batteriesystem folgendes umfasst: eine Antriebsbatterie des batteriebetriebenen Fahrzeugs, mit einer Mehrzahl von Batteriezellen, die zu einer Mehrzahl von Batteriezellgruppen zusammengefasst sind, wobei die Batteriezellgruppen zu einem oder mehreren Batteriemodulblöcken zusammengefasst sind, wobei jede Batteriezelle zwei Batteriepole aufweist; und eine Leiterplattenanordnung gemäß dem oben beschriebenen ersten Aspekt zur Überwachung der Antriebsbatterie.
Damit kann auf die umständliche, aufwendige und fehlerträchtige Verbindung der Batteriezellen zu den Zellüberwachungs-Leiterplatten bzw. CSCs mittels Kabelbaum verzichtet werden. Die Kommunikation zwischen den Überwachungseinheiten mittels Kabelsatz ist dann nicht mehr nötig, denn die Kommunikation erfolgt dann über die Backplane bzw. die Leiterplattenanordnung.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des Batteriesystems ist die Leiterplattenanordnung zur Überwachung eines Batteriemodulblocks der einen oder mehreren Batteriemodulblöcke ausgebildet.
Dies bietet den technischen Vorteil, dass das Batteriesystem mit einer einzigen Leiterplattenanordnung eine Vielzahl von Batteriezellen überwachen kann, d.h. das Batteriesystem kann mit einer leistungsstarken Antriebsbatterie mit vielen Batteriezellen ausgestattet werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des Batteriesystems ist die Leiterplattenanordnung dem zu überwachenden Batteriemodulblock gegenüberliegend angeordnet.
Dies bietet den technischen Vorteil, dass die Hauptplatine einfach auf den zu überwachenden Batteriemodulblock aufgesteckt oder in anderer Weise angebracht werden kann, so dass sich die Montage vereinfacht.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des Batteriesystems ist die Hauptplatine der Leiterplattenanordnung auf den zu überwachenden Batteriemodulblock aufgebracht und verbindet die jeweiligen Batteriepole der Batteriezellen der entsprechenden Batteriezellgruppe elektrisch mit dem Leitungssatz der jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatte.
Dies bietet den technischen Vorteil, dass die Zellüberwachungs-Leiterplatten einfach mit den ihnen zugeordneten Batteriezellgruppen elektrisch und mechanisch verbunden werden können. Eine solche Verbindung kann bereits während der Fertigung des Batteriesystems automatisch ausgeführt werden. Damit werden mögliche Fehlerquellen bei der bisherigen manuellen Verkabelung der einzelnen Leiterplatten bzw. CSC-Module ausgeblendet. Die Sicherheit des Batteriesystems erhöht sich folglich.
Gemäß einem dritten Aspekt wird die oben beschriebene Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Überwachung einer Antriebsbatterie eines batteriebetriebenen Fahrzeugs mit einer Leiterplattenanordnung (100) nach dem oben beschriebenen ersten Aspekt, wobei die Antriebsbatterie eine Mehrzahl von Batteriezellen umfasst, die zu einer Mehrzahl von Batteriezellgruppen zusammengefasst sind, wobei die Batteriezellgruppen zu einem oder mehreren Batteriemodulblöcken zusammengefasst sind, wobei jede Batteriezelle zwei Batteriepole aufweist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erfassen von Spannungen der jeweiligen Batteriepole der Batteriezellen mittels der Spannungsmessleitungen der jeweilige Zellüberwachungs-Leiterplatten; Bestimmen eines Spannungsabfalls über der jeweiligen Batteriezelle basierend auf den erfassten Spannungen der jeweiligen Batteriepole; Übertragen der Spannungsabfälle an den jeweiligen Batteriezellen über den Leitungssatz der Hauptplatine an ein Batterie-Management-System zur Überwachung eines Ladezustands der Antriebsbatterie; und Empfangen von Befehlen des Batterie-Management-Systems an die jeweiligen Prozessoren der Zellüberwachungs-Leiterplatten zum Ausbalancieren von Ladezuständen der jeweiligen Batteriezellen.
Ein solches Verfahren bietet die gleichen Vorteile wie die oben beschriebene Leiterplattenanordnung. D.h. die Leiterplattenanordnung ist gegenüber dem Zusammenbau aus verschiedenen Einzelbaugruppen deutlich kostengünstiger herstellbar und ist zuverlässiger, da potentielle Fehlerquellen bei der Montage aufgrund der bereits zusammengefügten Komponenten vermieden werden können. Das Verfahren ist daher zuverlässiger mit einer solche Leiterplattenanordnung ausführbar.
Gemäß einem vierten Aspekt wird die oben beschriebene Aufgabe gelöst durch ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen des Verfahrens gemäß dem dritten Aspekt auf einem Computer.
Damit wird der technische Vorteil erreicht, dass das Computerprogramm einfach auf einem Steuergerät, wie z.B. auf einem Mikrocontroller ausgeführt werden kann.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

1a eine schematische Darstellung eines Batteriesystems 100 eines batteriebetriebenen Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
1b eine schematische Darstellung der Backplane 110 eines Batteriesystems 100 eines batteriebetriebenen Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung einer Zellüberwachungs-Leiterplatte 120 für ein Batteriesystem 100 eines batteriebetriebenen Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts der Backplane 110 eines Batteriesystems 100 eines batteriebetriebenen Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Überwachung eines batteriebetriebenen Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Es versteht sich, dass auch andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen. Ferner versteht es sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch etwas anderes angegeben ist.
Die Aspekte und Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen sich im Allgemeinen auf gleiche Elemente beziehen. In der folgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein eingehendes Verständnis von einem oder mehreren Aspekten der Erfindung zu vermitteln. Für einen Fachmann kann es jedoch offensichtlich sein, dass ein oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen mit einem geringeren Grad der spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen und Elemente in schematischer Form dargestellt, um das Beschreiben von einem oder mehreren Aspekten oder Ausführungsformen zu erleichtern. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen genutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
In der vorliegenden Offenbarung werden eine Leiterplattenanordnung sowie eine Leiterplatte bzw. Platine beschrieben. Eine solche Leiterplattenanordnung im Sinne der Offenbarung ist eine feste Anordnung aus verschiedenen Leiterplatten oder Platinen, die fest miteinander verbunden sind, so dass ein Stecken der Einzelkomponenten über Stecker oder Kabel entfallen kann. Die Leiterplattenanordnung lässt sich somit einfach maschinell herstellen und kann bereits im Vorfeld gefertigt werden. Die einzelnen Leiterplatten und Platinen können beispielsweise durch verschiedene Verbindungstechniken miteinander verbunden sein, z.B. mittels Löten, Schweißen, Bonden, Kleben oder anderer Techniken.
Eine Leiterplatte bzw. Leiterkarte, Platine oder gedruckte Schaltung, PCB, ist ein Träger für elektronische Bauteile. Die Leiterplatte dient der mechanischen Befestigung und zur elektrischen Verbindung. Leiterplatten bestehen aus elektrisch isolierendem Material mit daran haftenden, leitenden Verbindungen, den Leiterbahnen. Als isolierendes Material wird meist faserverstärkter Kunststoff eingesetzt.
In der vorliegenden Offenbarung werden Zellüberwachungs-Leiterplatinen beschrieben. Solche Platinen werden zur Zellüberwachung eingesetzt und umfassen Zellüberwachungs-Schaltkreise (CSC, „cell supervisory circuit“). Ein Zellüberwachungs-Schaltkreis, CSC, ist eine elektronische Schaltung, die für eine gleichmäßige Ladungsverteilung der einzelnen Batteriezellgruppen bzw. Batteriepacks eines batteriebetriebenen Fahrzeugs sorgt.
Durch verschiedenste Mechanismen, z.B. Fertigungstoleranzen bei den Zellen oder ähnliches, entstehen durch das wiederholte Laden und Entladen ein unterschiedlicher Ladezustand der Zellgruppen. Die Gruppe mit dem höchsten Ladezustand bestimmt den maximalen Ladeabschaltzeitpunkt der Gesamtbatterie (Batterie „voll“); die Zellgruppe mit dem niedrigsten Ladezustand bestimmt den minimalen Entladeabschaltzeitpunkt (Batterie „leer“). Je unterschiedlicher die Zustände, desto geringer ist die nutzbare Kapazität der Batterie. Im „worst case“ ist die Kapazität Null, obwohl die Batterie nicht „verbraucht/kaputt“ ist.
Um diese hier beschriebenen Nachteile zu vermeiden, werden beim Aufladen der Antriebsbatterie(n) die Ladezustände aller Batteriezellgruppen in ihren wichtigsten Kennwerten überwacht. Diese Funktion wird von dem Zellüberwachungs-Schaltkreis ausgeführt. Bei Abweichung einzelner Ladekurven werden die Ladeparameter für die entsprechende Batteriezellgruppe entsprechend verändert bzw. ausbalanciert. Damit wird sichergestellt, dass bei Abschluss des Ladevorgangs alle Batteriezellgruppen identische Ladezustände haben.
Der Ladezustand bzw. „State of Charge“ (SoC) ist ein Kennwert für den Ladezustand von Batterien bzw. Akkus. Der Ladezustand kennzeichnet die noch verfügbare Kapazität einer Batterie im Verhältnis zum Nominalwert und wird meist in Prozent vom vollgeladenen Zustand angegeben. 10 % bedeuten somit, dass die Batterie bzw. der Akku noch eine Restladung von 10 % bezogen auf die Vollladung von 100 % hat.
Die einzelnen Zellüberwachungs-Schaltkreise der Batteriezellgruppen werden von dem Batteriemanagementsystem (BMS) gesteuert, das über den Fahrzeugbus mit dem Hauptsteuergerät kommuniziert.
Das BMS umfasst elektronische Regelschaltungen, die die Ladung und Entladung der Batterie des Fahrzeugs überwachen und regeln. Zu den zu überwachenden Batteriekennwerten gehören beispielsweise die Erkennung des Batterietyps, die Batteriespannung, die Temperatur und die Spannungen der einzelnen Batteriezellen, die Batteriekapazität, der Ladezustand, die Stromentnahme, die Restbetriebszeit, der Ladezyklus und weitere Batteriekennwerte.
Die Aufgabe des BMS ist die Sicherstellung der optimalen Nutzung der in der Batterie vorhandenen Restenergie. Um Beschädigungen der Batterie zu vermeiden, schützt das BMS die Batterie vor Tiefentladung, Überspannung, zu schneller Ladung und einem zu hohen Entladestrom. Bei Batterien aus mehreren Batteriezellen sorgt das BMS für das Batterie-Balancing, d.h. es sorgt dafür, dass die verschiedenen Batteriezellen gleiche Ladezustände und Entladezustände aufweisen.
Die Kommunikation des Batteriemanagementsystems mit anderen angeschlossenen Einheiten, wie z.B. den CSC, kann beispielsweise über eine serielle Schnittstelle erfolgen, wie z.B. den I2C-Bus oder den CAN-Bus.
1a zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriesystems 100 eines batteriebetriebenen Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel und 1b zeigt eine schematische Darstellung der Backplane 110 eines Batteriesystems 100 eines batteriebetriebenen Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Das Batteriesystem 100 umfasst eine Leiterplattenanordnung 110 und eine Batterie bzw. Hochvolt-Batterie oder Antriebsbatterie 140 des batteriebetriebenen Fahrzeugs.
Die Antriebsbatterie 140 umfasst eine Mehrzahl von Batteriezellen, die zu einer Mehrzahl von Batteriezellgruppen 130 zusammengefasst sind. Die Batteriezellgruppen 130 sind zu einem oder mehreren Batteriemodulblöcken 141 zusammengefasst. In 1a ist eine Anzahl von 5 mal 18 Batteriezellgruppen 130 als Beispiel dargestellt, welche zu einem Batteriemodulblock 141 bzw. einem Modul zusammengefasst sind und durch die Leiterplattenanordnung 110 überwacht werden.
Jede Batteriezelle 131a, 131b, 131c, 131d weist zwei Batteriepole 132, 133 auf, wie näher in 2 dargestellt.
Die Leiterplattenanordnung 110 dient zur Überwachung der Antriebsbatterie 140 des batteriebetriebenen Fahrzeugs. Die Leiterplattenanordnung 110 umfasst eine Mehrzahl von Zellüberwachungs-Leiterplatten 120 und eine Hauptplatine 160.
Jede Zellüberwachungs-Leiterplatte 120 ist einer entsprechenden Batteriezellgruppe 130 der Mehrzahl von Batteriezellgruppen 130 zugeordnet. Jede Zellüberwachungs-Leiterplatte 120 weist einen Leitungssatz 121 mit einer Mehrzahl an Spannungsmessleitungen auf, die mit jeweiligen Batteriepolen 132, 133 der Batteriezellen 131a, 131b, 131c, 131d der entsprechenden Batteriezellgruppe 130 verbindbar sind, um Spannungen der jeweiligen Batteriepole zu erfassen, wie in 2 dargestellt.
Jede Zellüberwachungs-Leiterplatte 120 weist einen Prozessor 122 auf, der ausgebildet ist, basierend auf den erfassten Spannungen der Batteriepole einen Spannungsabfall 134 über der jeweiligen Batteriezelle 131a zu bestimmen und Ladungsunterschiede der einzelnen Batteriezellen 131a, 131b, 131c, 131d auszugleichen, wie in 2 dargestellt.
Die Hauptplatine 160 umfasst eine Mehrzahl von Aufnahmeplätzen 123, wie näher in 3 dargestellt, zur Aufnahme der Mehrzahl von Zellüberwachungs-Leiterplatten 120, wobei die jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatten 120 mechanisch in den entsprechenden Aufnahmeplätzen 123 der Hauptplatine 160 fixiert 302 sind.
Jeder Aufnahmeplatz 123 ist mit einem elektrischen Steckverbinder 301 versehen, der ausgebildet ist, den Prozessor 122 der entsprechenden Zellüberwachungs-Leiterplatte 120 elektrisch mit der Hauptplatine 160 zu verbinden.
Die Hauptplatine 160 weist einen Leitungssatz 113 mit einer Mehrzahl an Datenleitungen auf, der ausgebildet ist, die von den Prozessoren 122 der Zellüberwachungs-Leiterplatten 120 bestimmten Spannungsabfälle 134 an den jeweiligen Batteriezellen 131a, 131b, 131c, 131d an ein Batterie-Management-System 150 zur Überwachung eines Ladezustands der Antriebsbatterie 140 zu übertragen, und Befehle von dem Batterie-Management-System 150 zum Ausbalancieren der Ladezustände der jeweiligen Batteriezellen an die entsprechenden Prozessoren 122 der Zellüberwachungs-Leiterplatten 120 zu übermitteln.
Die jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatten 120 können in die entsprechenden Aufnahmeplätze 123 der Hauptplatine 160 beispielsweise über Presskontaktierungen 302, wie in 3 dargestellt, eingepresst oder mittels Lötverbindungen gelötet sein. In einer Ausführungsform können die Presskontaktierungen 302 wieder gelöst werden, um beispielsweise eine defekte Zellüberwachungs-Leiterplatte 120 auszutauschen oder eine Konfiguration der Zellüberwachungs-Leiterplatte 120 zu ändern.
Die Leiterplattenanordnung 110 kann zur Überwachung eines Batteriemodulblocks 141 der einen oder mehreren Batteriemodulblöcke 141 ausgebildet sein.
Die Batteriemodulblöcke 141 weisen jeweils eine Modulseite 142 auf, entlang der die Batteriezellgruppen 130 des entsprechenden Batteriemodulblocks 141 angeordnet sein können. Eine Größe der Hauptplatine 160 kann hierbei einer Größe der Modulseite 142 eines jeweiligen Batteriemodulblocks 141 entsprechen.
Die die Hauptplatine 160 umfasst eine Platinen-Oberseite 161, auf der die jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatten 120 fixiert sind. Die Platinen-Oberseite 161 kann gegenüberliegend der Modulseite 142 eines entsprechenden Batteriemodulblocks 141 ausgerichtet sein. Dann sind die Zellüberwachungs-Leiterplatten 120 direkt gegenüberliegend (bzw. in 1a hinter) den zugehörigen Batteriezellgruppen 130 angeordnet, so dass keine langen Leitungen zur Erfassung der Sensordaten der Batteriezellgruppen 130 vorgesehen werden müssen.
Eine Größe und Form der Platinen-Oberseite 161 der Hauptplatine 160 kann einer Größe und Form der Modulseite 142 des entsprechenden Batteriemodulblocks 141 entsprechen.
Die Aufnahmeplätze 123 der Hauptplatine 160 zur Aufnahme der Mehrzahl von Zellüberwachungs-Leiterplatten 120 auf der Platinen-Oberseite 161 der Hauptplatine 160 können, wie in 1a dargestellt, gegenüberliegend zu den zugeordneten Batteriezellgruppen 130 auf der Modulseite 142 des entsprechenden Batteriemodulblocks 141 ausgerichtet sein. Dann müssen keine langen Leitungen zur Erfassung der Sensordaten der Batteriezellgruppen 130 vorgesehen werden.
Der Leitungssatz 113 mit der Mehrzahl an Datenleitungen kann beispielsweise als Leiterbahnensatz auf der Hauptplatine 160 aufgedruckt sein. Dieses Vordrucken der Hauptplatine 160 erspart das sonst notwendige Verkabeln der jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatten 120 und sorgt damit für eine einfachere Installation sowie eine sichere Montage.
Der Leitungssatz 113 mit der Mehrzahl an Datenleitungen auf der Hauptplatine 160 kann ausgebildet sein, Datenverkehr zwischen den Prozessoren 122 der Zellüberwachungs-Leiterplatten 120 und dem Batteriemanagementsystem 150 über die Hauptplatine 160 zu routen oder weiterzuleiten.
Die Hauptplatine 160 kann einen Steckverbinder 301 zur kabelgebundenen elektrischen Verbindung der Hauptplatine 160 mit dem Batterie-Management-System 150 umfassen. Das Batteriesystem 100 kann in einem Batteriefach des Fahrzeugs untergebracht sein, während das BMS 150 einer Steuerbox untergebracht sein kann, die sich an unterschiedlichen Plätzen im Fahrzeug befinden. Zum elektrischen Verbinden kann ein elektrisches Kabel genutzt werden, das Teil eines Leitungssatzes bzw. Kabelbaums im Fahrzeug sein kann.
Jede Zellüberwachungs-Leiterplatte 120 kann ferner einen Leitungssatz mit einer Mehrzahl an Temperaturmessleitungen aufweisen, die mit jeweiligen Temperatursensoren der Batteriezellen 131a, 131b, 131c, 131d der entsprechenden Batteriezellgruppe 130 verbunden werden können, um Temperatursensorwerte der jeweiligen Batteriezellen zu erfassen.
Hierzu kann der Prozessor 122 der jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatte 120 ausgebildet sein, basierend auf den erfassten Temperatursensorwerten eine Temperatur der jeweiligen Batteriezelle 131a, 131b, 131c, 131d zu bestimmen und über den Leitungssatz 113 der Hauptplatine 160 an das Batterie-Management-System 150 zu übertragen.
Wie oben beschrieben, umfasst das Batteriesystem 100 die Antriebsbatterie 140 und die Leiterplattenanordnung 110 zur Überwachung der Antriebsbatterie 140. Die Leiterplattenanordnung 110 kann zur Überwachung eines Batteriemodulblocks 141 der einen oder mehreren Batteriemodulblöcke 141 ausgebildet sein. Die Leiterplattenanordnung 110 kann dem zu überwachenden Batteriemodulblock 141 gegenüberliegend angeordnet sein, wie in 1a dargestellt.
Die Hauptplatine 160 der Leiterplattenanordnung 110 kann auf den zu überwachenden Batteriemodulblock 141 aufgebracht sein, z.B. aufgesteckt oder aufgelötet oder aufgeschweißt oder aufgeklebt sein und die jeweiligen Batteriepole 132, 133 der Batteriezellen 131 a, 131b, 131c, 131d der entsprechenden Batteriezellgruppe 130 mit dem Leitungssatz 121 der jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatte 120 elektrisch verbinden.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Zellüberwachungs-Leiterplatte 120 für ein Batteriesystems 100 eines batteriebetriebenen Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die Zellüberwachungs-Leiterplatte 120 ist einer entsprechenden Batteriezellgruppe 130 der Mehrzahl von Batteriezellgruppen 130 zugeordnet, wie in den 1a und 1b dargestellt. Die Zellüberwachungs-Leiterplatte 120 weist einen Leitungssatz 121 mit einer Mehrzahl an Spannungsmessleitungen auf, die mit jeweiligen Batteriepolen 132, 133 der Batteriezellen 131a, 131b, 131c, 131d der entsprechenden Batteriezellgruppe 130 verbunden werden können, um Spannungen der jeweiligen Batteriepole zu erfassen.
Die Zellüberwachungs-Leiterplatte 120 weist einen Prozessor 122 auf, der ausgebildet ist, basierend auf den erfassten Spannungen der Batteriepole 132, 133 einen Spannungsabfall 134 über der jeweiligen Batteriezelle 131a zu bestimmen und Ladungsunterschiede der einzelnen Batteriezellen 131a, 131b, 131c, 131d auszugleichen.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts der Backplane 110 eines Batteriesystems 100 eines batteriebetriebenen Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die Backplane 110 bzw. Leiterplattenanordnung 110 dient zur Überwachung der Antriebsbatterie 140 des batteriebetriebenen Fahrzeugs, wie oben zu den 1a, 1 b und 2 beschrieben. Die Leiterplattenanordnung 110 umfasst eine Mehrzahl von Zellüberwachungs-Leiterplatten 120, von denen zwei hier beispielhaft dargestellt sind, und eine Hauptplatine 160.
Jede Zellüberwachungs-Leiterplatte 120 ist einer entsprechenden Batteriezellgruppe 130 der Mehrzahl von Batteriezellgruppen 130 zugeordnet, wie in den 1a, 1 b und 2 dargestellt.
Die Hauptplatine 160 umfasst eine Mehrzahl von Aufnahmeplätzen 123 zur Aufnahme der Mehrzahl von Zellüberwachungs-Leiterplatten 120, wobei die jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatten 120 mechanisch in den entsprechenden Aufnahmeplätzen 123 der Hauptplatine 160 fixiert 302 sind. Dies kann beispielsweise über Druckkontaktierungen 302 erfolgen, wie in 3 gezeigt. Alternative kann die Fixierung über Lötverbindungen erfolgen, oder geschweißt oder geklebt sein.
Jeder Aufnahmeplatz 123 kann mit einem elektrischen Steckverbinder 301 versehen sein, wie in 3 dargestellt, der ausgebildet ist, den Prozessor 122 der entsprechenden Zellüberwachungs-Leiterplatte 120 elektrisch mit der Hauptplatine 160 zu verbinden. Die beiden Zellüberwachungs-Leiterplatten 120 in 3 sind um 180° zueinander gedreht angeordnet. Bei der oberen Zellüberwachungs-Leiterplatte 120 ist der elektrische Steckverbinder 301 zu sehen, während bei der unteren Zellüberwachungs-Leiterplatte 120 die Druckkontaktierungen 302 zu sehen sind.
Die jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatten 120 können in die entsprechenden Aufnahmeplätze 123 der Hauptplatine 160 beispielsweise über Presskontaktierungen 302 eingepresst oder mittels Lötverbindungen gelötet sein. In einer Ausführungsform können die Presskontaktierungen 302 auch wieder gelöst werden, um beispielsweise eine defekte Zellüberwachungs-Leiterplatte 120 auszutauschen oder eine Konfiguration der Zellüberwachungs-Leiterplatte 120 zu ändern.
Die Leiterplattenanordnung 110 kann zur Überwachung eines Batteriemodulblocks 141 der einen oder mehreren Batteriemodulblöcke 141 ausgebildet sein.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 400 zur Überwachung eines batteriebetriebenen Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Das Verfahren dient zur Überwachung einer Antriebsbatterie eines batteriebetriebenen Fahrzeugs mit einer Leiterplattenanordnung 110 wie oben zu den 1 bis 3 beschrieben, wobei die Antriebsbatterie eine Mehrzahl von Batteriezellen umfasst, die zu einer Mehrzahl von Batteriezellgruppen zusammengefasst sind, wobei die Batteriezellgruppen zu einem oder mehreren Batteriemodulblöcken zusammengefasst sind, wobei jede Batteriezelle zwei Batteriepole aufweist.
Das Verfahren 400 umfasst ein Erfassen 401 von Spannungen der jeweiligen Batteriepole der Batteriezellen mittels der Spannungsmessleitungen der jeweilige Zellüberwachungs-Leiterplatten, wie oben zu den 1 bis 3 beschrieben.
Das Verfahren 400 umfasst ein Bestimmen eines Spannungsabfalls über der jeweiligen Batteriezelle basierend auf den erfassten Spannungen der jeweiligen Batteriepole, wie oben zu den 1 bis 3 beschrieben.
Das Verfahren 400 umfasst ein Übertragen der Spannungsabfälle an den jeweiligen Batteriezellen über den Leitungssatz der Hauptplatine an ein Batterie-Management-System zur Überwachung eines Ladezustands der Antriebsbatterie, wie oben zu den 1 bis 3 beschrieben.
Das Verfahren 400 umfasst ein Empfangen von Befehlen des Batterie-Management-Systems an die jeweiligen Prozessoren der Zellüberwachungs-Leiterplatten zum Ausbalancieren von Ladezuständen der jeweiligen Batteriezellen, wie oben zu den 1 bis 3 beschrieben.
Das Verfahren kann auf einem Prozessor implementiert werden, zum Beispiel einem Prozessor einer Zellüberwachungs-Leiterplatte, wie oben zu den 1 bis 3 beschrieben.
Bezugszeichenliste

100: Batteriesystem
110: Leiterplattenanordnung
113: Leitungssatz mit Mehrzahl an Datenleitungen
114: elektrischer Steckverbinder zum BMS
120: Zellüberwachungs-Leiterplatten
121: Leitungssatz mit Mehrzahl an Spannungsmessleitungen
122: Prozessor
123: Aufnahmeplätze der Hauptplatine
130: Batteriezellgruppe
131a: erste Batteriezelle
131b: zweite Batteriezelle
131c: dritte Batteriezelle
131d: vierte Batteriezelle
132: erster Pol bzw. Pluspol der Batteriezelle
133: zweiter Pol bzw. Minuspol der Batteriezelle
134: Spannungsabfall an der Batteriezelle
140: Antriebsbatterie bzw. Batterie
141: Batteriemodulblock bzw. Modul
142: Modulseite des Batteriemodulblocks
150: Batteriemanagementsystem
160: Hauptplatine
161: Platinen-Oberseite der Hauptplatine
301: elektrische Steckverbinder
302: mechanische Fixierung, Presskontaktierung der Zellüberwachungs-Leiterplatte 120 an der Hauptplatine 160
400: Verfahren zur Überwachung einer Antriebsbatterie
401: erster Verfahrensschritt
402: zweiter Verfahrensschritt
403: dritter Verfahrensschritt
404: vierter Verfahrensschritt

Claims

Leiterplattenanordnung (110) zur Überwachung einer Antriebsbatterie (140) eines batteriebetriebenen Fahrzeugs, wobei die Antriebsbatterie (140) eine Mehrzahl von Batteriezellen (131a, 131b, 131c, 131d) umfasst, die zu einer Mehrzahl von Batteriezellgruppen (130) zusammengefasst sind, wobei die Batteriezellgruppen (130) zu einem oder mehreren Batteriemodulblöcken (141) zusammengefasst sind, wobei jede Batteriezelle zwei Batteriepole (132, 133) aufweist, wobei die Leiterplattenanordnung (110) folgendes umfasst: eine Mehrzahl von Zellüberwachungs-Leiterplatten (120), wobei jede Zellüberwachungs-Leiterplatte (120) einer entsprechenden Batteriezellgruppe (130) der Mehrzahl von Batteriezellgruppen (130) zugeordnet ist, wobei jede Zellüberwachungs-Leiterplatte (120) einen Leitungssatz (121) mit einer Mehrzahl an Spannungsmessleitungen aufweist, die mit jeweiligen Batteriepolen (132, 133) der Batteriezellen (131a, 131b, 131c, 131d) der entsprechenden Batteriezellgruppe (130) verbindbar sind, um Spannungen der jeweiligen Batteriepole zu erfassen; und einen Prozessor (122), der ausgebildet ist, basierend auf den erfassten Spannungen der Batteriepole einen Spannungsabfall (134) über der jeweiligen Batteriezelle (131a) zu bestimmen und Ladungsunterschiede der einzelnen Batteriezellen (131a, 131b, 131c, 131d) auszugleichen; und eine Hauptplatine (160) mit einer Mehrzahl von Aufnahmeplätzen (123) zur Aufnahme der Mehrzahl von Zellüberwachungs-Leiterplatten (120), wobei die jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatten (120) mechanisch in den entsprechenden Aufnahmeplätzen (123) der Hauptplatine (160) fixiert (302) sind, wobei jeder Aufnahmeplatz (123) mit einem elektrischen Steckverbinder (301) versehen ist, der ausgebildet ist, den Prozessor (122) der entsprechenden Zellüberwachungs-Leiterplatte (120) elektrisch mit der Hauptplatine (160) zu verbinden, wobei die Hauptplatine (160) einen Leitungssatz (113) mit einer Mehrzahl an Datenleitungen aufweist, der ausgebildet ist, die von den Prozessoren (122) der Zellüberwachungs-Leiterplatten (120) bestimmten Spannungsabfälle (134) an den jeweiligen Batteriezellen (131a, 131b, 131c, 131d) an ein Batterie-Management-System (150) zur Überwachung eines Ladezustands der Antriebsbatterie (140) zu übertragen, und Befehle von dem Batterie-Management-System (150) zum Ausbalancieren der Ladezustände der jeweiligen Batteriezellen an die entsprechenden Prozessoren (122) der Zellüberwachungs-Leiterplatten (120) zu übermitteln.
Leiterplattenanordnung (110) nach Anspruch 1, wobei die jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatten (120) in die entsprechenden Aufnahmeplätze (123) der Hauptplatine (160) über Presskontaktierungen (302) eingepresst oder mittels Lötverbindungen gelötet sind.
Leiterplattenanordnung (110) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Leiterplattenanordnung (110) zur Überwachung eines Batteriemodulblocks (141) der einen oder mehreren Batteriemodulblöcke (141) ausgebildet ist.
Leiterplattenanordnung (110) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Batteriemodulblöcke (141) jeweils eine Modulseite (142) aufweisen, entlang der die Batteriezellgruppen (130) des entsprechenden Batteriemodulblocks (141) angeordnet sind, wobei eine Größe der Hauptplatine (160) einer Größe der Modulseite (142) eines jeweiligen Batteriemodulblocks (141) entspricht.
Leiterplattenanordnung (110) nach Anspruch 4, wobei die Hauptplatine (160) eine Platinen-Oberseite (161) umfasst, auf der die jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatten (120) fixiert sind, wobei die Platinen-Oberseite (161) gegenüberliegend der Modulseite (142) eines entsprechenden Batteriemodulblocks (141) ausgerichtet ist.
Leiterplattenanordnung (110) nach Anspruch 5, wobei eine Größe und Form der Platinen-Oberseite (161) der Hauptplatine (160) einer Größe und Form der Modulseite (142) des entsprechenden Batteriemodulblocks (141) entspricht.
Leiterplattenanordnung (110) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Aufnahmeplätze (123) der Hauptplatine (160) zur Aufnahme der Mehrzahl von Zellüberwachungs-Leiterplatten (120) auf der Platinen-Oberseite (161) der Hauptplatine (160) gegenüberliegend zu den zugeordneten Batteriezellgruppen (130) auf der Modulseite (142) des entsprechenden Batteriemodulblocks (141) ausgerichtet sind.
Leiterplattenanordnung (110) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Leitungssatz mit der Mehrzahl an Datenleitungen als Leiterbahnensatz auf der Hauptplatine aufgedruckt ist.
Leiterplattenanordnung (110) nach Anspruch 8, wobei der Leitungssatz (113) mit der Mehrzahl an Datenleitungen auf der Hauptplatine (160) ausgebildet ist, Datenverkehr zwischen den Prozessoren (122) der Zellüberwachungs-Leiterplatten (120) und dem Batteriemanagementsystem (150) über die Hauptplatine (160) zu routen.
Leiterplattenanordnung (110) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Hauptplatine (160) einen Steckverbinder (301) zur kabelgebundenen elektrischen Verbindung der Hauptplatine (160) mit dem Batterie-Management-System (150) umfasst.
Leiterplattenanordnung (110) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jede Zellüberwachungs-Leiterplatte (120) einen Leitungssatz mit einer Mehrzahl an Temperaturmessleitungen aufweist, die mit jeweiligen Temperatursensoren der Batteriezellen (131a, 131b, 131c, 131d) der entsprechenden Batteriezellgruppe (130) verbindbar sind, um Temperatursensorwerte der jeweiligen Batteriezellen zu erfassen, wobei der Prozessor (122) der jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatte (120) ausgebildet ist, basierend auf den erfassten Temperatursensorwerten eine Temperatur der jeweiligen Batteriezelle (131a, 131b, 131c, 131d) zu bestimmen und über den Leitungssatz (113) der Hauptplatine (160) an das Batterie-Management-System (150) zu übertragen.
Batteriesystem (100) eines batteriebetriebenen Fahrzeugs, wobei das Batteriesystem (100) folgendes umfasst: eine Antriebsbatterie (140) des batteriebetriebenen Fahrzeugs, mit einer Mehrzahl von Batteriezellen (131a, 131b, 131c, 131d), die zu einer Mehrzahl von Batteriezellgruppen (130) zusammengefasst sind, wobei die Batteriezellgruppen (130) zu einem oder mehreren Batteriemodulblöcken (141) zusammengefasst sind, wobei jede Batteriezelle (131a, 131b, 131c, 131d) zwei Batteriepole (132, 133) aufweist; und eine Leiterplattenanordnung (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Überwachung der Antriebsbatterie (140).
Batteriesystem (100) nach Anspruch 12, wobei die Leiterplattenanordnung (110) zur Überwachung eines Batteriemodulblocks (141) der einen oder mehreren Batteriemodulblöcke (141) ausgebildet ist.
Batteriesystem (100) nach Anspruch 13, wobei die Leiterplattenanordnung (110) dem zu überwachenden Batteriemodulblock (130) gegenüberliegend angeordnet ist.
Batteriesystem (100) nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Hauptplatine (160) der Leiterplattenanordnung (110) auf den zu überwachenden Batteriemodulblock (130) aufgebracht ist und die jeweiligen Batteriepole (132, 133) der Batteriezellen (131a, 131b, 131c, 131d) der entsprechenden Batteriezellgruppe (130) mit dem Leitungssatz (121) der jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatte (120) elektrisch verbindet.
Verfahren (400) zur Überwachung einer Antriebsbatterie eines batteriebetriebenen Fahrzeugs mit einer Leiterplattenanordnung (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Antriebsbatterie eine Mehrzahl von Batteriezellen umfasst, die zu einer Mehrzahl von Batteriezellgruppen zusammengefasst sind, wobei die Batteriezellgruppen zu einem oder mehreren Batteriemodulblöcken zusammengefasst sind, wobei jede Batteriezelle zwei Batteriepole aufweist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erfassen (401) von Spannungen der jeweiligen Batteriepole der Batteriezellen mittels der Spannungsmessleitungen der jeweiligen Zellüberwachungs-Leiterplatten; Bestimmen (402) eines Spannungsabfalls über der jeweiligen Batteriezelle basierend auf den erfassten Spannungen der jeweiligen Batteriepole; Übertragen (403) der Spannungsabfälle an den jeweiligen Batteriezellen über den Leitungssatz der Hauptplatine an ein Batterie-Management-System zur Überwachung eines Ladezustands der Antriebsbatterie; und Empfangen (404) von Befehlen des Batterie-Management-Systems an die jeweiligen Prozessoren der Zellüberwachungs-Leiterplatten zum Ausbalancieren von Ladezuständen der jeweiligen Batteriezellen.